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| テネシン | |||||||||||||||||||||
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| 発音 | / ˈ t ɛ n ə s iː n / [ 1] ( TEN -ə-seen ) | ||||||||||||||||||||
| 外観 | 半金属（予測）[2] | ||||||||||||||||||||
| 質量数 | [294] （データは決定的ではない）[a] | ||||||||||||||||||||
| 周期表におけるテネシン | |||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 117 | ||||||||||||||||||||
| グループ | グループ 17 (ハロゲン) | ||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間7 | ||||||||||||||||||||
| ブロック | pブロック | ||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [ Rn ] 5f 14 6d 10 7s 2 7p 5 (予測) [4] | ||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、18、32、32、18、7 （予想） | ||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | |||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体（予測）[4] [5] | ||||||||||||||||||||
| 融点 | 623～823 K（350～550 °C、662～1022 °F）（予測）[4] | ||||||||||||||||||||
| 沸点 | 883 K（610℃、1130℉）（予測）[4] | ||||||||||||||||||||
| 密度（ rt付近 ） | 7.1～7.3 g/cm 3 （外挿）[5] | ||||||||||||||||||||
| 原子特性 | |||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | 共通: (なし) (−1), (+5) | ||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 原子半径 | 経験的：138 pm （予測）[5] | ||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 156～157pm （推定）[5] | ||||||||||||||||||||
| その他のプロパティ | |||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 合成 | ||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 54101-14-3 | ||||||||||||||||||||
| 歴史 | |||||||||||||||||||||
| ネーミング | テネシー州地域以降 | ||||||||||||||||||||
| 発見 | 合同原子核研究所、ローレンス・リバモア国立研究所、ヴァンダービルト大学、オークリッジ国立研究所(2010) | ||||||||||||||||||||
| テネシンの同位体 | |||||||||||||||||||||
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テネシンは合成化学元素で、記号は Ts、原子番号は117です。既知の元素の中で2番目に大きい原子番号と2番目に大きい原子量を持ち、周期表の第7周期の最後から2番目の元素です。この元素の発見に関わった主要な研究機関が所在する米国テネシー州にちなんで命名されました（ただし、IUPACでは「テネシー州」にちなんで命名されたとしています）。
テネシンの発見は、2010年4月にロシアとアメリカの共同研究によりロシアのドゥブナで公式に発表され、2024年現在最も新しく発見された元素となっている。その娘同位体[アップデート]の1つは2011年に直接生成され、実験結果を部分的に確認した。実験自体は、2012年に同じ共同研究により、2014年5月にはドイツとアメリカの合同チームにより成功裏に繰り返された。2015年12月、新元素発見の主張を評価する国際純正・応用化学連合（IUPAC）と国際純正・応用物理学連合（IUPAP）の合同作業部会がこの元素を認定し、ロシアとアメリカのチームに優先権を与えた。2016年6月、IUPACは、発見者がテネシンという名前を提案したという声明を発表し、この名前は2016年11月に正式に採用された。[b]
テネシンは「安定の島」に位置している可能性がある。これは、周期表でビスマスを超える元素の安定性が全体的に低下する傾向にあるにもかかわらず、一部の超重元素がより安定している理由を説明する概念である。合成されたテネシン原子は数十から数百ミリ秒持続した。周期表では、テネシンは17族のハロゲンに属すると予想される。[c]相対論的効果により、テネシンの特性の一部は、より軽いハロゲンとは大幅に異なる可能性がある。その結果、テネシンは陰イオンを形成せず、高い酸化状態にもならない揮発性金属であると予想される。それでも、融点や沸点、第一イオン化エネルギーなどのいくつかの重要な特性は、ハロゲンの 周期的傾向に従うと予想される。
導入
超重原子核の合成
超重原子核[d] は、大きさの異なる 2 つの原子核[e]を 1 つに結合する核反応で生成されます。大まかに言えば、2 つの原子核の質量の不等性が大きいほど、2 つの原子核が反応する可能性が高くなります。[15]重い原子核でできた物質をターゲットにして、軽い原子核のビームを照射します。2 つの原子核は、十分に接近した場合にのみ 1 つに融合します。通常、原子核 (すべて正に帯電) は、静電反発力により互いに反発します。強い相互作用はこの反発力を克服できますが、原子核から非常に短い距離内に限られます。そのため、ビーム原子核は、ビーム原子核の速度に比べて反発力が重要でないように、大幅に加速されます。 [16]ビーム核を加速するためにエネルギーを加えると、ビーム核は光速の10分の1ほどの速度に達することができる。しかし、エネルギーが多すぎるとビーム核は崩壊してしまう可能性がある。[16]
2 つの原子核が融合するには、十分に近づくだけでは十分ではありません。2 つの原子核が互いに近づくと、通常は 10 −20 秒ほど一緒に留まり、その後、単一の原子核を形成するのではなく、離れていきます (反応前と同じ構成である必要はありません)。[16] [17]これは、単一の原子核の形成を試みている間に、静電反発によって形成されつつある原子核が引き裂かれるために起こります。[16]ターゲットとビームの各ペアは、その断面積によって特徴付けられます。断面積とは、2 つの原子核が互いに近づいた場合に融合が起こる確率であり、融合が起こるために入射粒子が衝突しなければならない横断面積で表されます。[f]この融合は、原子核が静電反発を通り抜けることができる量子効果の結果として起こる可能性があります。2 つの原子核がその段階を過ぎても近くに留まることができれば、複数の原子核相互作用によってエネルギーの再分配とエネルギー平衡がもたらされます。[16]
| 外部ビデオ | |
|---|---|
 オーストラリア国立大学の計算に基づく失敗した核融合の可視化[19] |
結果として生じる合体は励起状態[20] （複合核と呼ばれる）であり、したがって非常に不安定である。[16]より安定した状態に到達するために、一時的な合体はより安定した核を形成せずに核分裂する可能性がある。 [21]あるいは、複合核は少数の中性子を放出し、励起エネルギーを奪う可能性がある。後者が中性子の放出に十分でない場合、合体はガンマ線を生成する。これは 最初の核衝突から約 10 −16秒後に発生し、より安定した核の生成につながる。 [21] IUPAC/IUPAP 合同作業部会（JWP）による定義では、化学元素は、その核が10 −14秒以内に崩壊していない場合にのみ発見されたと認識されるとされている。この値は、核が電子を獲得して化学的性質を示すのにかかる時間の推定値として選択された。[22] [g]
崩壊と検出
ビームはターゲットを通過し、次のチャンバーであるセパレーターに到達します。新しい原子核が生成された場合は、このビームとともに運ばれます。[24]セパレーターでは、新しく生成された原子核が他の核種（元のビームの核種と他の反応生成物）から分離され[h]、原子核を停止させる表面バリア検出器に転送されます。検出器への衝突の正確な位置が記録され、そのエネルギーと到着時間も記録されます。[24]転送には約10 −6 秒かかります。検出されるためには、原子核はこの時間生き残らなければなりません。[27]崩壊が記録されると、原子核は再び記録され、崩壊の位置、エネルギー、および時間が測定されます。 [24]
原子核の安定性は強い相互作用によってもたらされる。しかし、その範囲は非常に短く、原子核が大きくなるにつれて、最外殻核子（陽子と中性子）への影響は弱まる。同時に、原子核は陽子間の静電反発によって引き裂かれ、その範囲は制限されない。[28]強い相互作用によって提供される全結合エネルギーは核子数とともに直線的に増加するのに対し、静電反発は原子番号の2乗とともに増加する。つまり、後者はより速く増加し、重い原子核と超重い原子核にとってますます重要になる。[29] [30]したがって、超重原子核は理論的に予測されており[31] 、これまでに[32] 、そのような反発によって引き起こされる崩壊モード、すなわちアルファ崩壊と自発核分裂によって主に崩壊することが観測されている。[i]ほぼすべてのアルファ放射体は210個以上の核子を持ち、[34]主に自発核分裂を起こす最も軽い核種は238個の核子を持っています。[35]どちらの崩壊モードでも、核子は各モードに対応するエネルギー障壁によって崩壊が抑制されますが、トンネルを通り抜けることはできます。[29] [30]
アルファ粒子は、核子あたりの質量が小さいため、アルファ粒子が原子核から離れるための運動エネルギーとして使用できる程度のエネルギーが残るため、放射性崩壊でよく生成されます。[37]自発核分裂は、原子核を引き裂く静電反発力によって引き起こされ、同一の原子核が分裂するさまざまな事例でさまざまな原子核を生成します。[30]原子番号が増加すると、自発核分裂の重要性が急速に高まります。自発核分裂の部分半減期は、ウラン（元素番号92）からノーベリウム（元素番号102）にかけて23桁減少し、[38]トリウム（元素番号90）からフェルミウム（元素番号100）にかけては30桁減少します。[39]初期の液滴モデルでは、核子数が約280の原子核では核分裂障壁が消失するため、自発核分裂がほぼ瞬時に起こると示唆されていた。[30] [40]後の原子核殻モデルでは、核子数が約300の原子核は安定の島を形成し、その中では自発核分裂に対する抵抗力がより強くなり、主に半減期の長いアルファ崩壊を起こすと示唆された。[30] [40]その後の発見により、予測された島は当初の予想よりも遠い可能性があることが示唆された。また、長寿命アクチニドと予測された島の中間の原子核は変形し、殻効果からさらなる安定性を獲得することも示された。[41]より軽い超重核[42]や、予想される島核[38]に近い核の実験では、自発核分裂に対する安定性がこれまで予想されていたよりも高いことが示されており、核に対する殻効果の重要性が示されています。[j]
アルファ崩壊は放出されたアルファ粒子によって記録され、崩壊生成物は実際の崩壊の前に簡単に特定できます。そのような崩壊または一連の連続した崩壊によって既知の原子核が生成された場合、反応の元の生成物は簡単に特定できます。[k] (崩壊系列内のすべての崩壊が実際に互いに関連していることは、これらの崩壊の位置によって確立され、これらの崩壊は同じ場所でなければなりません。) [24]既知の原子核は、崩壊エネルギー (またはより具体的には、放出された粒子の運動エネルギー) などの崩壊の特定の特性によって認識できます。 [l]しかし、自発核分裂ではさまざまな原子核が生成物として生成されるため、元の核種をその娘核種から特定することはできません。[m]
超重元素の合成を目指す物理学者が利用できる情報は、検出器で収集された情報、つまり、粒子が検出器に到達した場所、エネルギー、時間、および崩壊の時間です。物理学者はこのデータを分析し、それが確かに新しい元素によって引き起こされたものであり、主張されている核種とは異なる核種によって引き起こされたはずがないという結論を出そうとします。多くの場合、提供されたデータは、新しい元素が確実に生成されたという結論を出すには不十分であり、観察された効果について他に説明はありません。データの解釈に誤りがあったのです。[n]歴史
発見前
2004年12月、ロシアのモスクワ州ドゥブナにある合同原子核研究所（JINR）チームは、米国テネシー州 オークリッジのオークリッジ国立研究所（ORNL）と共同で、原子核に117個の陽子を持つことから117番元素を合成する実験を提案した。提案では、バークリウム（元素番号97）ターゲットとカルシウム（元素番号20）ビームを融合し、バークリウムターゲットにカルシウム原子核を衝突させるというものである。[53]これにより、 JINRで行われたカルシウム48ビームによるアクチニドターゲットの融合に関する一連の実験が完了する。この実験ではこれまでに新しい元素113～116および118が生成当時世界で唯一のバークリウム生産者だったORNLは、一時的に生産を停止していたため、この元素を供給することができず、[53]生産を再開するには費用がかかりすぎた。[54]元素117の合成計画は、2002年初めにカリホルニウムターゲットにカルシウムを照射して生成された元素118の確認を優先して中断された。[55]必要なバークリウム249はカリホルニウム252生産の副産物であり、必要な量のバークリウムを得るのはカリホルニウムを得ることよりもさらに困難で、費用もかかる。費用は約350万ドルと見積もられ、両当事者は、バークリウムを抽出できるカリホルニウム生産の商業注文を待つことに合意した。[54] [56]
JINRチームがバークリウムの使用を試みたのは、ビームに使用されたカルシウムの同位体であるカルシウム48が20個の陽子と28個の中性子を持ち、中性子と陽子の比が1.4であるためである。そして、これは非常に大きな中性子過剰を持つ最も軽い安定またはほぼ安定な原子核である。中性子過剰のおかげで、結果として得られる原子核はより重くなり、求められている安定の島に近づくと予想された。[o]目標とした117個の陽子のうち、カルシウムは20個であるため、原子核に97個の陽子を持つバークリウムを使用する必要があった。[3]
2005年2月、JINRチームのリーダーであるユーリ・オガネシアンがORNLで講演会を開催した。出席者には、以前JINRと共同で元素番号113-116と118の発見に取り組んでいたローレンス・リバモア国立研究所の代表者や、オガネシアンの協力者であるヴァンダービルト大学のジョセフ・ハミルトンもいた。 [58]
ハミルトンは、ORNLの高フラックス原子炉が商業注文のためにカリホルニウムを生産しているかどうかを確認した。必要なバークリウムは副産物として得られるかもしれないが、実際には生産されておらず、近い将来にそのような注文が入る見込みもないことがわかった。ハミルトンは状況を監視し続け、時々確認を続けた。（後にオガネシアンは、この仕事をしたハミルトンを「117の父」と呼んだ。）[58]
発見
ORNLは2008年春にカリホルニウムの生産を再開した。ハミルトンは夏の間に再開に気付き、その後のバークリウムの抽出について契約を結んだ[59]（価格は約60万ドルだった）。[60] 2008年9月、テネシー州ナッシュビルのヴァンダービルト大学で物理学教授50周年を祝うシンポジウムで、ハミルトンはオガネシアンをジェームズ・ロベルト（当時ORNLの科学技術担当副所長）に紹介した。 [61]彼らはJINR、ORNL、ヴァンダービルトの間で協力関係を築いた。[56]クラリス・フェルプスはJINRと協力したORNLのチームの一員だった。[62]このことは特に注目に値し、IUPACは彼女を化学元素の発見に関わった最初のアフリカ系アメリカ人女性として認めている。 [62] [63] [64] [65]最終的な協力機関には、 テネシー大学（ノックスビル）、ローレンス・リバモア国立研究所、先進炉研究所（ロシア）、ネバダ大学（ラスベガス）も含まれていました。[66]
2008年11月、オークリッジの原子炉を監督していた米国エネルギー省は、抽出されたバークリウムの科学的利用を許可した。[67]
製造は250日間続き、2008年12月下旬に終了し、[68]実験を行うのに十分な22ミリグラムのバークリウムが生成された。[69] 2009年1月、バークリウムはORNLの高中性子束同位体原子炉から取り出された。[67]その後90日間冷却され、ORNLの放射化学工学開発センターで処理され、バークリウム物質が分離・精製された。これにはさらに90日かかった。[56]半減期はわずか330日であるため、その期間が経過すると、生成されたバークリウムの半分が崩壊していることになる。 このため、バークリウムの標的はロシアに急いで輸送する必要があり、実験を実行可能にするためには、米国を出発してから6ヶ月以内に完了する必要があった。[56]標的は5つの鉛製コンテナに詰められ、ニューヨークからモスクワまで空輸された。[56] ロシアの税関職員は、書類の紛失または不備を理由に、標的の入国を2度拒否した。標的は数日間で大西洋を5回渡った。[56] 2009年6月にロシアに到着すると、バークリウムはすぐにウリヤノフスク州ディミトロフグラードにある原子炉研究所（RIAR）に移送され、チタンフィルム上に300ナノメートルの薄さの層として堆積された。[68] 2009年7月、それはドゥブナに輸送され、[68] JINRの粒子加速器に設置された。 [69]カルシウム48ビームは、天然カルシウムに含まれる微量のカルシウム48を化学的に抽出し、500倍に濃縮することによって生成された。 [67]この作業は、ロシアのスヴェルドロフスク州レスノイの閉鎖都市で行われた。[67]
実験は2009年7月下旬に開始された。[67] 2010年1月、フレロフ原子核反応研究所の科学者らは、原子番号117の新しい元素が2つの崩壊系列を経て崩壊するのを検出したと内部発表した。1つは奇数-奇同位体が6回の アルファ崩壊を起こして自発核分裂を起こすもので、もう1つは奇数-偶数同位体が3回のアルファ崩壊を起こして核分裂を起こすものである。 [70]実験で得られたデータはさらなる分析のためにLLNLに送られた。[71] 2010年4月9日、 Physical Review Letters誌に公式レポートが発表され、同位体は294 117と293 117であると特定され、半減期は数十ミリ秒から数百ミリ秒のオーダーであることが示された。この研究には、実験にある程度関わったすべての関係者、すなわちJINR、ORNL、LLNL、RIAR、ヴァンダービルト、テネシー大学（米国テネシー州ノックスビル）、およびデータ分析支援を提供したネバダ大学（米国ネバダ州ラスベガス）が署名した。[72]同位体は次のように形成された。[73] [p]
- 249
97バック
+48
20カナダ
→ 297 117* → 294 117 + 31
0
ん
(1件のイベント)
- 249
97バック
+48
20カナダ
→ 297 117* → 293 117 + 41
0
ん
(5件のイベント)
確認
元素117の娘同位体（崩壊生成物）はこれまですべて未知であったため、 [73]それらの特性は発見の主張を確認するために使用できませんでした。2011年に崩壊生成物の1つ（289 115）が直接合成されたとき、その特性は元素117の崩壊からの間接合成で測定されたものと一致しました。[74]発見者は、共同作業部会が新元素の発見の主張を検討していた2007年から2011年の間に、その発見について主張を提出していませんでした。[75]
ドゥブナチームは2012年に実験を繰り返し、元素番号117の原子7個を生成し、以前の元素番号118の合成を確認した（これは、標的のバークリウム-249の大部分がベータ崩壊してカリホルニウム-249になった後に生成された）。実験の結果は以前の結果と一致したため、[8]科学者たちはその元素を登録する申請を提出した。[要出典] 2014年5月、ドイツ・ヘッセン州ダルムシュタットにあるORNLとGSIヘルムホルツ重イオン研究センターの科学者によるドイツとアメリカの共同研究が、元素の発見を確認したと主張した。[7] [76]チームはダルムシュタットの加速器を使用してドゥブナ実験を繰り返し、元素番号117の原子2個を生成した。[7]
2015年12月、JWPは娘元素289 115の特性が確認されたため、 293 117の発見を公式に認めた。 [77]そのため、リストに載っている発見者（JINR、LLNL、ORNL）には、この元素の正式名称を提案する権利が与えられた。（ヴァンダービルトは、後に訂正された誤りで、発見者リストから除外された。）[78]
2016年5月、ルンド大学（スウェーデン、スカニア県ルンド）とGSIは、元素115と117の合成に疑問を投げかけました。 元素115と117の合成の確認に役立った同位体である289 115に割り当てられた崩壊系列は、新しい統計手法に基づいて、かなり高い確率で同じ核種に属するにはあまりにも異なっていることがわかりました。JWPによって承認されたと報告された293 117の崩壊系列は、元素117の異なる同位体に割り当てられた個別のデータセットに分割する必要があることがわかりました。また、 293 117と289 115からとして報告された崩壊系列間の主張されたリンクはおそらく存在しないこともわかりました。 （一方、承認されていない同位体294 117からの連鎖は一致することがわかった。）偶数-偶数でない核種がアルファ崩壊を起こすときに見られる状態の多様性は予想外ではなく、交差反応の明確さの欠如に寄与している。この研究は、この問題に関連する微妙な点を見落としているとJWPの報告書を批判し、元素115と117の発見を受け入れるための唯一の議論が彼らが疑わしいとみなしたリンクであったことを「問題」とみなした。[79] [80]
2017年6月8日、ドゥブナチームの2人のメンバーがこれらの批判に答える論文を発表し、広く受け入れられている統計的手法で核種293 117と289 115に関するデータを分析し、不一致を示した2016年の研究を放射性崩壊に適用すると問題のある結果が得られたことを指摘した。つまり、平均崩壊時間と極端崩壊時間の両方が90%信頼区間から除外されており、彼らが選択した90%信頼区間から除外される崩壊連鎖は、含まれる崩壊連鎖よりも観測される可能性が高かった。2017年の再解析では、観測された293 117と289 115の崩壊連鎖は、連鎖の各段階で核種が1つだけ存在するという仮定と一致していると結論付けられたが、各連鎖の起源となる核の質量数と243 Am + 48 Ca反応の励起関数を直接測定できることが望ましい[81]
ネーミング
メンデレーエフの命名法に従えば、名前の付いていない未発見の元素はエカアスタチンと呼ばれるべきである。1979年の国際純正応用化学連合（IUPAC）の勧告に従い、この元素は暫定的にウンウンセプティウム（記号Uus）と呼ばれていた。これはラテン語の「1」、「1」、「7」に由来し、原子番号117に由来する。[82]この分野の多くの科学者はこれを「元素番号117」と呼び、記号はE117、(117)、または117とした。[4]発見承認時点で有効だったIUPACのガイドラインによると、新元素の正式名称は「-ium」で終わるべきであり、これには元素番号117が含まれ、たとえそれが伝統的に名前が「-ine」で終わるハロゲンであったとしても含まれた。 [83]しかし、2016年に発表された新しい勧告では、すべての新しい第17族元素に「-ine」の語尾を使用することが推奨されました。[84]
2010年の最初の合成後、 LLNLのドーン・ショーネシーとオガネシアンは、命名はデリケートな問題であり、可能な限り避けられたと宣言した。[85]しかし、テネシー州ナッシュビルのヴァンダービルト大学で教鞭をとるハミルトンは、その年に「私はグループをまとめ、発見に不可欠な249 Bkターゲットを得るのに重要な役割を果たしました。その結果、私は元素に名前を付けることになりました。名前は言えませんが、この地域に特色をもたらすでしょう」と宣言した。[72] 2015年のインタビューで、オガネシアンは実験の話をした後、「アメリカ人はこれを傑作と名付けました。彼らは[これを]間違いの余地なく実行できることを示しました。さて、彼らはすぐに117番目の元素に名前を付けるでしょう」と語った。[86]
2016年3月、発見チームは関係者の代表者を招いて電話会議を開き、元素番号117を「テネシン」と命名することに合意した。[58] 2016年6月、IUPACは、発見者が新しい元素番号115、117、118の命名案をIUPACに提出した旨の宣言を発表した。元素番号117の提案は「テネシー州」にちなんで、記号はTsとした。 [b]提案された名前はIUPAC無機化学部門によって承認を勧告され、宣言の発表後5ヶ月の任期が満了した後に正式な承認が行われることとなった。[87] 2016年11月、テネシンを含む名前が正式に承認された。提案された記号Tsが有機化学で用いられるトシル基の表記法と衝突するかもしれないという懸念は、二重の意味を持つ既存の記号Ac（アクチニウムとアセチル）とPr（プラセオジムとプロピル）に従って却下された。[88]モスコビウム、テネシン、オガネソンの命名式は2017年3月2日にモスクワのロシア科学アカデミーで行われた。テネシンのみの別の式典は2017年1月にORNLで開催されていた。[89]
予測される特性
核特性以外では、テネシンまたはその化合物の特性は測定されていません。これは、その生産が極めて限られており、高価であること[60]と、非常に速く崩壊するという事実によるものです。テネシンの特性は不明のままであり、予測のみが可能です。
核の安定性と同位体
原子核の安定性は、半減期が他のどの元素よりも4桁長い96番目の元素であるキュリウム以降、原子番号の増加とともに急速に低下する。原子番号が101を超えるすべての同位体は、半減期が30時間未満の放射性崩壊を起こす。原子番号が82を超える元素（鉛に次ぐ）には、安定同位体がない。[90]これは、陽子のクーロン反発がますます大きくなり、強い核力では自発的な核分裂に対して原子核を長時間保持できないためである。計算によれば、他の安定化要因がなければ、陽子数が104を超える元素は存在しないはずである。[91]しかし、1960年代の研究者は、114個の陽子と184個の中性子の周りの閉じた核殻がこの不安定性を打ち消し、核種の半減期が数千年または数百万年に達する可能性がある「安定の島」を作り出すと示唆した。科学者はまだ島に到達していないが、超重元素（テネシンを含む）の存在自体がこの安定化効果が本物であることを裏付けており、一般的に既知の超重核種は島の予測位置に近づくにつれて指数関数的に長寿命化する。[92] [93]テネシンはこれまでに生成された元素の中で2番目に重い元素であり、その既知の同位体はすべて半減期が1秒未満である。しかし、これは発見前に予測されていた値よりも長い。発見論文で使用された293 Tsと294 Tsの予測寿命はそれぞれ10ミリ秒と45ミリ秒であったが、観測された寿命はそれぞれ21ミリ秒と112ミリ秒であった。 [73]ドゥブナチームは、この元素の合成は安定島の存在を直接的に実験的に証明するものと考えている。[94]
同位体295 Tsの半減期は約18 ミリ秒であると計算されており、既知の同位体である293 Tsと294 Tsの発見に使用されたのと同じバークリウム-カルシウム反応によってこの同位体を生成することが可能である可能性がある。この反応で295 Tsが生成される可能性は、最大でも294 Tsが生成される可能性の7分の1であると推定されている。[27] [95] [96]この同位体は、陽子をいくつかの中性子とともに蒸発させてオガネソンを生成することに成功した249 Cf+ 48 Ca反応のpxnチャネルでも生成される可能性がある。より重いテネシン同位体296 Tsと297 Tsも同様に251 Cf+ 48 Ca反応で生成される可能性がある。[97] [98]量子トンネルモデルを用いた計算では、テネシンには303 Tsまでの同位体が存在すると予測されている。これらのうち最も安定しているのは、アルファ崩壊半減期が40ミリ秒の296 Tsであると予想される。 [99]この元素の同位体に関する液滴モデル研究でも同様の結果が示されており、 301 Tsより重い同位体では全般的に安定性が増す傾向が示唆されており、ベータ崩壊を考慮しない場合、335 Tsのような最も重い同位体の部分半減期は宇宙の年齢を超える。 [100]テネシンのより軽い同位体は243 Am+ 50 Ti反応で生成される可能性があり、これは2008年にドゥブナチームによって249 Bkが入手できない場合の緊急時対応策として検討された。[101]同位体289 Tsから292 Tsは、 243 Am+ 54 Crおよび249 Bk+ 50 Ti反応で生成される元素119同位体の娘核種としても生成される可能性がある。 [102]
原子と物理
テネシンは、周期表の第17族に属し、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチンの5つのハロゲンの下に位置すると予想されており、各ハロゲンは7つの価電子を持ち、 n s 2 n p 5の配置となっている。[103] [q]テネシンは周期表の第7周期（行）に属しており、この傾向を続けると、価電子配置は7s 2 7p 5と予測され、[4]そのため、この電子状態に関連する多くの点でハロゲンと同様に振る舞うことが予想される。しかし、第17族を下るにつれて、元素の金属性が増加する。例えば、ヨウ素は固体状態ですでに金属光沢を示しており、アスタチンは金属であると予想される。[104]そのため、周期表の傾向に基づく外挿では、テネシンはかなり揮発性の高い金属であると予測される。[105]
計算によりこの単純な外挿の正確さが確認されているが、既知のテネシン同位体の半減期が短すぎるため、これを実験的に検証することは現在のところ不可能である。[105]テネシンと以前のハロゲンの間には大きな違いが生じる可能性があり、それは主にスピン軌道相互作用、つまり電子の運動とスピンの相互作用によるものである。スピン軌道相互作用は超重元素の場合特に強く、その電子は軽い原子よりも速く（光速に匹敵する速度で）移動する。[106]テネシン原子では、これによって7sおよび7p電子のエネルギー準位が低下し、対応する電子が安定化するが、7p電子のエネルギー準位のうち2つは他の4つよりも安定している。[107] 7s電子の安定化は不活性電子対効果と呼ばれ、7pサブシェルをより安定化した部分とより不安定な部分に分離する効果はサブシェル分割と呼ばれる。計算化学者は、分裂を7pサブシェルのより安定化された部分とより不安定な部分に対する第2の（方位角）量子数 lの1から1/2と3/2への変化として理解している。 [108] [r]多くの理論的目的のために、価電子配置は7pサブシェルの分裂を反映して7sとして表されることがある。2
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他の電子準位にも違いがある。例えば、6d電子準位（これも2つに分かれており、4つは6d 3/ 2、6つは6d 5/2）は両方とも上昇しているため、エネルギー的には7s準位に近い。[107]だが、テネシンでは6d電子化学は予測されていない。7p 1/2準位と7p 3/2準位の差は異常に大きく、9.8 eVである。[107]アスタチンの6pサブシェル分割はわずか3.8 eVであり、[107] 6p 1/2化学はすでに「限定的」と呼ばれている。[109]これらの効果により、テネシンの化学は上位の隣接元素の化学と異なる。（下記参照）。
テネシンの第一イオン化エネルギー（中性原子から電子を取り除くのに必要なエネルギー）は 7.7 eV と予測され、これもまた傾向に沿ってハロゲンよりも低い。[4]周期表の近隣元素と同様に、テネシンはグループ内で最も低い電子親和力（原子に電子が追加されるときに放出されるエネルギー）を持ち、2.6 または 1.8 eV になると予想される。[4]仮想の水素のようなテネシン原子（酸化されて電子が 1 つだけになる Ts 116+ ）の電子は非常に速く動くため、その質量は動かない電子の 1.90 倍になると予測され、この特徴は相対論的効果に起因する。比較のために、水素のようなアスタチンの数値は 1.27、水素のようなヨウ素の数値は 1.08 である。[110]相対性法則の単純な外挿により、原子半径の収縮が示される。[110]高度な計算によれば、共有結合を1つ形成したテネシン原子の半径は165 pmであるのに対し、アスタチンの半径は147 pmとなる。[111]最外殻電子7個を除去すると、テネシンは最終的に小さくなり、テネシンでは57 pm [4]、アスタチンでは61 pm [112]となる。
テネシンの融点と沸点は不明である。以前の論文では、それぞれ約 350～500 °C と 550 °C と予測されていた[4]か、それぞれ 350～550 °C と 610 °C と予測されていた[113] 。これらの値は、周期的な傾向に従い、アスタチンやより軽いハロゲンの値を上回っている。後の論文では、テネシンの沸点が 345 °C と予測されている[114] (アスタチンの沸点は 309 °C、[115] 337 °C、[116 ]または 370 °C [117]と推定されているが、実験値として 230 °C [118]および 411 °C [112]が報告されている)。テネシンの密度は 7.1 ～ 7.3 g/cm 3であると予想される[5]。
化学薬品
テネシンの既知の同位体である293 Ts と294 Ts は、現在化学実験を行うには寿命が短すぎる。しかし、テネシンの多くの化学的性質が計算されている。[119]より軽い第 17 族元素とは異なり、テネシンはハロゲンに共通する化学的挙動を示さない可能性がある。[9]たとえば、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素は、希ガスのより安定した電子配置を実現するために、通常、電子を受け取り、価電子殻に 7 個ではなく8 個 (オクテット) の電子を得る。[120]この能力は、原子量がグループの下に行くほど弱まるため、テネシンは電子を受け取りにくい第 17 族元素である。予測される酸化状態のうち、-1 が最も一般的でないと予想される。[4] Ts/Ts -カップルの標準還元電位は -0.25 V と予測される。この値は他の軽いハロゲンとは異なり、負の値である。[2]
テネシンがオクテットを完成させる別の機会は、共有結合を形成することである。ハロゲンと同様に、2 つのテネシン原子が出会うと、Ts-Ts 結合を形成して二原子分子を形成すると予想される。このような分子は、通常、原子間の単一のシグマ結合を介して結合している。これは、結合する原子の間に直接位置するのではなく、原子間の線に垂直な方向にシフトし、互いに反対方向に 2 つの部分に分割されるパイ結合とは異なる。シグマ結合は、 At 2分子で大きな反結合特性を示すことが計算されており、エネルギー的にはそれほど有利ではない。テネシンはこの傾向を継続すると予測されており、Ts 2の結合では強いパイ特性が見られるはずである。[4] [121]テネシン塩化物 (TsCl) 分子はさらに進み、単一のパイ結合で結合すると予測されている。[121]
不安定な −1 状態のほかに、さらに 3 つの酸化状態、+5、+3、+1 が予測される。+1 状態は、最外殻の 3 つの 7p 3/2電子が不安定化して、安定した半分満たされたサブシェル構成を形成するため、特に安定しているはずである。 [4]アスタチンも同様の効果を示す。[122] +3 状態は、やはり不安定化した 7p 3/2電子のため重要であるはずである。[113] +5 状態は、7p 1/2電子が逆に安定化されるため、まれであると予測される。 [4] +7 状態は、計算上さえも実現可能であることは示されていない。7s 電子が大幅に安定化されているため、テネシンは実質的に価電子を 5 つしか持たないという仮説が立てられている。[123]
最も単純なテネシン化合物は、モノヒドリドのTsHであろう。結合は、テネシンの7p 3/2電子と水素の1s電子によって提供されると予想される。7p 1/2 スピノルの非結合性は、テネシンが純粋なシグマ結合またはパイ結合を形成しないと予想されるためである。[124]したがって、不安定化された（したがって拡張された）7p 3/2スピノルが結合の原因です。[125]この効果により、TsH分子は、全体の長さ195ピコメートルと比較して17ピコメートル長くなります。[124]テネシンのp電子結合は3分の2がシグマであるため、結合は、テネシンにスピン軌道相互作用がない場合の3分の2の強さしかありません。[124]したがって、この分子はハロゲン水素化物の傾向に従い、AtHと比較して結合長の増加と解離エネルギーの減少を示しています。[4]分子Tl TsおよびNh Tsは、元素のp 1/2電子が安定化されているという事実によって示される逆の効果を考慮に入れると、同様に考えることができる。これら2つの特性により、TlTsの双極子モーメント（原子の電荷の差と原子の 変位の積）は比較的小さくなり、わずか1.67 D、[s]であり、正の値は負電荷がテネシン原子にあることを意味している。NhTsの場合、効果の強さにより、テネシン原子からニホニウム原子への電子の移動が発生すると予測され、双極子モーメントの値は-1.80 Dである。[127]スピン軌道相互作用により、テネシンの電気陰性度が低下し、非常に電気陰性度の高いフッ素原子との結合がよりイオン性になるため、TsF分子の解離エネルギーが増加する。[124]テネシン一フッ化物は、第17族一フッ化物の中で最も強い結合力を持つはずである。[124]
VSEPR理論は、17族三フッ化物について、曲がったT字型の 分子構造を予測する。既知のハロゲン三フッ化物はすべてこの分子構造を持ち、AX 3 E 2の構造を持つ。これは、Aで示される中心原子が、3つの配位子、X、および2つの非共有電子対、Eに囲まれている。相対論的効果を無視すると、TsF 3 は、より軽い同族体と同様に、曲がったT字型の分子構造を持つはずである。より洗練された予測は、この分子構造がTsF 3にとってエネルギー的に有利ではないことを示し、代わりに三方平面分子構造（AX 3 E 0）を予測している。これは、VSEPR理論が超重元素に対して一貫していない可能性があることを示している。[123] TsF 3分子は、スピン軌道相互作用によって大幅に安定化されると予測されている。考えられる根拠は、テネシンとフッ素の電気陰性度の大きな差が、結合に部分的にイオン性の特性を与えることかもしれない。[123]
注記
- ^テネシン の最も安定した同位体は、測定数が少ないことから生じる不確実性のため、既存のデータに基づいて決定することはできません。294 Tsの2標準偏差に対応する半減期は、既存のデータに基づいて、51+76
−32ミリ秒であるのに対し、 293 Tsでは22+16
−8ミリ秒;これらの測定値は信頼区間が重複している。[3] - ^ ab IUPACの宣言では、「オークリッジ国立研究所、ヴァンダービルト大学、テネシー州ノックスビルのテネシー大学を含むテネシー地域（強調追加）の、オークリッジ国立研究所の高中性子束同位体原子炉（HFIR）と放射化学工学開発センター（REDC）での超重元素合成のための独自のアクチニドターゲット材料の製造と化学分離を含む超重元素研究への貢献」について言及されている。
- ^ 「第17 族」という用語は、周期表でフッ素で始まる列を指します。「ハロゲン」という用語は同義語と見なされることもありますが、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチンが共有する化学的および物理的特性の共通セットに関連する場合もあります。これらはすべて、第17族でテネシンに先行します。他の第17族のメンバーとは異なり、テネシンはこの厳密な定義ではハロゲンではない可能性があります。[9]
- ^ 原子物理学では、原子番号が大きい元素は重い元素と呼ばれます。鉛（元素番号82）はそのような重い元素の一例です。「超重元素」という用語は、通常、原子番号が103を超える元素を指します（ただし、原子番号が100 [10]または112 [11]を超えるなどの他の定義もあります。この用語は、仮想の超アクチノイド系列の先頭に上限を置く「超アクチノイド」という用語と同義語として提示されることもあります）。[12]「重同位体」（特定の元素）および「重原子核」という用語は、共通言語で理解できるもの、つまりそれぞれ（特定の元素の）高質量の同位体と高質量の原子核を意味します。
- ^ 2009年、オガネシアン率いるJINRのチームは、対称的な136 Xe + 136 Xe反応でハッシウムを生成しようとした結果を発表しました。彼らはそのような反応で単一の原子を観察することができず、核反応の確率の尺度である断面積の上限を2.5 pbとしました。[13]比較すると、ハッシウムの発見につながった208 Pb + 58 Feの反応の断面積は約20 pb（より正確には19 pb）でした。+19
-11 発見者らの推定によると、1000万部を超える。[14] - ^ ビーム粒子を加速するために加えられるエネルギーの量も、断面積の値に影響を与える可能性がある。例えば、28
14シ
+1
0ん
→28
13アル
+1
1p
反応断面積は12.3MeVでの370mbから18.3MeVでの160mbまで滑らかに変化し、13.5MeVで広いピークを示し、最大値は380mbである。[18] - ^ この数字は複合原子核の寿命の一般的に受け入れられている上限値でもある。[23]
- ^ この分離は、生成された核が未反応のビーム核よりもゆっくりとターゲットを通過することに基づいています。分離器には電場と磁場が含まれており、移動する粒子への影響は粒子の特定の速度で打ち消されます。[25]このような分離は、飛行時間測定と反跳エネルギー測定によっても支援され、この2つを組み合わせることで核の質量を推定できる場合があります。[26]
- ^ すべての崩壊モードが静電反発によって引き起こされるわけではない。例えば、ベータ崩壊は弱い相互作用によって引き起こされる。[33]
- ^ 原子核の基底状態はエネルギーと形状が異なり、核子の特定の魔法数が原子核のより高い安定性に対応することは1960年代にすでに知られていました。しかし、超重原子核は変形しすぎて原子核構造を形成できないため、原子核構造は存在しないと想定されていました。[38]
- ^ 原子核の質量は直接測定されるのではなく、別の原子核の質量から計算されるため、このような測定は間接的と呼ばれます。直接測定も可能ですが、ほとんどの場合、超重原子核では利用できません。[43]超重原子核の質量の最初の直接測定は、2018年にLBNLで報告されました。[44]質量は、転送後の原子核の位置から決定されました（転送は磁石の存在下で行われたため、位置は原子核の軌道を決定するのに役立ちます。軌道は原子核の質量電荷比に関連しています）。[45]
- ^ 崩壊が真空中で起こった場合、崩壊前後の孤立系の全運動量は保存されなければならないため、娘核も小さな速度を受ける。2つの速度の比、したがって運動エネルギーの比は、2つの質量の比に反比例する。崩壊エネルギーは、アルファ粒子の既知の運動エネルギーと娘核の運動エネルギーの合計（前者の正確な分数）に等しい。[34]計算は実験にも当てはまるが、違いは崩壊後に核が検出器に結び付けられているため動かないことである。
- ^自発核分裂はソ連の物理学者 ゲオルギー・フレロフ[46]によって発見された。彼はJINRの指導的科学者であり、そのためこの施設の「趣味」だった。[47]対照的に、LBLの科学者たちは、核分裂に関する情報は元素の合成を主張するには不十分であると信じていた。彼らは、複合核が陽子やアルファ粒子のような荷電粒子ではなく中性子だけを放出したと立証することが困難であったため、自発核分裂は新元素の特定に使用できるほど十分に研究されていないと信じていた。[23]そのため、彼らは連続的なアルファ崩壊によって新しい同位体を既知の同位体に関連付けることを好んだ。[46]
- ^ 例えば、元素番号102は1957年にスウェーデンのストックホルム県ストックホルムのノーベル物理学研究所で誤って特定された。[48]この元素が作られたという決定的な主張は以前にはなく、この元素にはスウェーデン、アメリカ、イギリスの発見者によってノーベリウムという名前が付けられた。後にこの特定は誤りであることが判明した。[49]翌年、RLはスウェーデンの結果を再現することができず、代わりにこの元素の合成を発表したが、この主張も後に反証された。[49] JINRは自分たちが最初にこの元素を作ったと主張し、この新元素にジョリオチウムという独自の名前を提案した。[50]ソビエトの名前も受け入れられなかった（JINRは後に元素番号102の命名を「性急」だと述べた）。[51]この名前は、1992年9月29日に署名された元素の発見の優先権に関する裁定に対する書面による回答の中でIUPACに提案されました。 [51]「ノーベリウム」という名前は広く使用されているため変更されませんでした。[52]
- ^ 最も軽い元素の安定同位体は、通常、中性子と陽子の比が1に近いか1に等しい（例えば、アルミニウムの唯一の安定同位体は13個の陽子と14個の中性子を持ち、[3]中性子と陽子の比は1.077である）が、より重い元素の安定同位体は中性子と陽子の比が高く、陽子の数が増えるにつれて増加する。例えば、ヨウ素の唯一の安定同位体は陽子53個と中性子74個を持ち、中性子陽子比は1.396、金の唯一の安定同位体は陽子79個と中性子118個を持ち、中性子陽子比は1.494、プルトニウムの最も安定な同位体は陽子94個と中性子150個を持ち、中性子陽子比は1.596である。[3]この傾向[57]により、合成元となる元素の中性子陽子比が低くなりすぎるため、超重元素の最も安定な同位体の合成が困難になると予想される。
- ^ 核種は一般に、化学元素の記号の直前に上付き文字として質量数、下付き文字として原子番号を付けて表されます。中性子は、原子質量 1、原子番号 0、記号nの核種として表されます。原子核方程式以外では、原子番号は省略されることがあります。アスタリスクは、反応の極めて短命な（または存在しない）中間段階を示します。
- ^ 文字n は、元素が属する周期(周期表の横の列)の番号を表します。文字 "s" と "p" は、 s原子軌道とp 原子軌道を表し、それに続く上付き数字は、それぞれの軌道の電子数を表します。したがって、n s 2 n p 5という表記は、より軽い第 17 族元素の価電子殻が 2 つのs電子と 5 つのp電子で構成され、すべて最外殻電子エネルギー レベルに位置することを意味します。
- ^ 量子数は電子軌道名の文字に対応しています。0 はs、1 はp、2 はdなどです。詳細については方位量子数を参照してください。
- ^ 比較すると、ClF、HCl、SO、HF、HI分子の値はそれぞれ0.89 D、1.11 D、1.55 D、1.83 D、1.95 Dである。標準状態では形成されない分子、すなわちGeSe、SnS、TlF、BaO、NaClの値はそれぞれ1.65 D、約3.2 D、4.23 D、7.95 D、9.00 Dである。[126]
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